基于電網頻率波動特性的一次調頻考核算法分析

王文營，王生彬，藺躍生，趙麗華

(1.河北省電力研究院，石家莊 050021；2.河北省電力公司，石家莊 050021；3.河北興泰發電有限責任公司,河北 邢臺 054000)

近年來，我國電力工業快速發展，大容量、高參數發電機組規模投產，電網通過(特)高壓輸電線路互聯成為常態運行方式，而且《節能發電調度辦法》的出臺使得風能、太陽能、光伏發電等各類可再生能源的大型基地加快建設，這些都對電網的安全性、適應性等提出了更高的要求。此外，隨著電力體制改革的不斷深入，尤其在目前廠網分開的形勢下，機廠協調的監管能力減弱。在此形勢下，為保證電網的安全穩定運行，必須加強輔助服務管理和并網發電廠考核工作，為此國家電力監管委員會華北監管局發布了《華北區域發電廠并網運行管理實施細則》和《華北區域并網發電廠輔助服務管理實施細則》(簡稱“《兩個細則》”), 其中，一次調頻是基本輔助服務的重要內容之一。為確保《兩個細則》的順利實施，為廠網協調提供技術依據，切實提高電能質量和電網安全穩定運行水平，有必要基于電網頻率波動特性對一次調頻性能考核的算法進行研究分析。

1 一次調頻考核指標

《兩個細則》全面概括了并網機組一次調頻運行管理技術要求，量化了一次調頻性能考核指標，對一次調頻的運行管理必將起到極大的促進作用。根據《兩個細則》要求及目前管理現狀，河北省南部電網(簡稱“河北南網”)主要考核指標包括：一次調頻月投運率、正確動作率及性能綜合指標，由于所有機組均按照電網要求投入一次調頻，因此投入情況的考核在文中不在贅述。

正確動作率按機組考核，對于一次調頻月正確動作率小于80%的機組，每月考核電量為：

E1=(80%-λ動作)×PN×2 h×α

(1)

式中：PN為機組額定負荷，MW；α為一次調頻考核系數，數值為3；λ動作為月正確動作率。

性能綜合指標按次考核，當電網頻率發生較大波動時，對于性能綜合指標大于零的機組，每次考核電量為：

E2=K0×PN×2 h×α

(2)

式中：K0為性能綜合指標，K0=1-5%/L，其中L為動態速度變動率。

以1臺600 MW機組為例，設月正確動作率為40%，則對正確動作率月考核的電量為(80%-40%)×600 MW×2 h×3=1 440 MWh；設速度變動率為10%，如果動作一次則對性能綜合指標考核的電量為(1-5%/10%)×600 MW×2 h×3=1 800 MWh，如果本月動作多次則以每次考核電量的累加值作為性能綜合指標的月考核電量。

2 電網頻率波動特性

電網頻率是電能質量和電網穩定運行的重要指標，反映了電力系統供需能量的平衡狀態，當系統內供電與用電失衡時，電網頻率就會波動，波動的速度及幅度與負荷擾動大小、電網總運行容量、電網內負載特性以及調頻性能等因素有關。電網正常運行時，頻率存在慢速小幅波動，而且經常會超過死區，但持續時間短、機組功率變化小，而出現大的供用電失衡時，頻率快速大幅波動，變化趨勢呈“V”形，即頻率快速變化到極值后又快速回調，并逐步相對穩定在與基準頻率有一定偏差的值，是一個持續時間長、變化幅度大的時變動態過程。

圖1為某次互聯電網聯絡線跳開后河北南網頻率的變化過程，頻率由事故前的49.99 Hz(a點)經過約5 s達到極值49.91 Hz(d點)，之后經過3 s快速回升至49.94 Hz(e點)后基本趨于穩定，但仍然存在小幅振蕩。

圖1 互聯電網聯絡線跳開后電網頻率波動過程示意

3 一次調頻考核算法

一次調頻性能指標采用電網頻率波動前后的歷史數據進行后期離線計算分析，存在數據來源不同、讀取不便、格式不統一、時鐘不同步、采樣周期長、人為誤差大等缺點，難以實現一次調頻性能的客觀評判。自河北南網實行調節系統技術監督以來，廠網雙方在健全組織、落實制度、技術管理、系統建設等方面做了大量扎實有效的工作，使機組一次調頻設置滿足電網要求、參數測量系統裝設全面鋪開、遠程性能統計分析平臺建設初具規模，具備了基于同步相量測量裝置(PMU)采集動態數據并在廣域測量系統(WAMS)中實施一次調頻性能考核的條件。但該項工作專業性強、涉及面廣、工作量大，而且開發的一次調頻監測計算分析平臺接入參量較少，一般只有頻率和負荷，因此，為滿足一次調頻性能公正、公平、客觀考核的要求，必須科學、系統、全面地研究其計算算法。

3.1 有效頻率擾動分析

機組正常運行時，頻率存在波動，而且頻率信號有時會存在毛刺，反映到機組轉速上表現為鋸齒狀的頻繁波動，機組轉速超出死區的次數每月達上千甚至上萬次，因此為避開正常小幅頻繁波動，必須判斷是否發生長時間、大幅度的波動即有效頻率擾動。根據電網頻率波動時域和幅域特性，用時間、頻率雙變量以及多判據條件來判定，并根據擾動程度分為大擾動和小擾動。實際運行中小擾動發生的頻次要遠遠大于大擾動。

3.1.1 小擾動

小擾動是指小容量甩負荷、調度用電計劃的偏差等引起的電網供用電小的失衡時頻率的波動，具有一定的隨機性，用波動偏離基準值的幅度即頻差及持續時間來判定，即滿足

(3)

式中：ft為t時刻頻率；fN為基準頻率50 Hz；fdead為頻率死區；ft+Δt為t時刻開始至ΔT內任一點的頻率；ΔT為持續時間；ΔFs為頻率門檻值。

如圖1所示超出頻率死區b點為起始點，d點為頻率極值點，e點為持續時間結束點，如果b-e區間頻率曲線上任一點都超過fdead、且d點頻差超過ΔFs則判為小擾動。河北南網判定小擾動的參數設定為：fdead為0.033 Hz、ΔT為3 s、ΔFs為0.04 Hz，即頻率超出死區后持續3 s且期間最大頻差超過0.04 Hz，則判定為小擾動。

3.1.2 大擾動

大擾動是指大容量甩負荷、聯絡線跳開等引起的電網供用電大的失衡時頻率的波動。通過掃描定長時間窗口內電網頻率的變化量來判定，如果掃描開始時刻與定長時間Δt內任一點的頻差超過設定門檻值ΔFL則判定為大擾動，即如圖1所示由a、c為頂點的方框圖中頻率曲線上極值點滿足

max|ft+Δt-ft|>ΔFLΔt∈(0，ΔT)

(4)

河北南網判定大擾動的參數設定為：ΔT為5 s，ΔFL為0.045 Hz，即在5 s內如果頻率最大偏差超過0.045 Hz則判定為大擾動。考慮到電網頻率變化初始值經常不是由基準頻率開始，而機組一次調頻頻差均是以基準頻率計算，經常出現電網頻率判為大擾動，但機組判為小擾動甚至無擾動的情況，例如，5 s內頻率由50.033 Hz變化到49.967 Hz時電網應為大擾動，但對機組而言還在死區內一次調頻根本不動作，因此，在河北南網要求必須同時滿足式(3)、式(4)才可判定為大擾動。

3.1.3 有效頻率擾動時間

電網發生有效頻率擾動時的計算時間區間，以頻率超出死區為開始時刻，以頻率回復到死區時刻、頻率達到穩定時刻、設定最大穩定時間三者中的小值作為結束時刻，河北南網設定最大穩定時間為60 s，即頻率回復到死區的時間、達到穩定的時間以及60 s，三者中最小值為有效頻率擾動時間。

3.2 考核指標計算

一次調頻性能指標的分析、計算會受到諸多不確定因素的影響，因此，機組一次調頻性能考核需要對機網協調關系、客觀約束條件、外部影響因素等綜合考慮。

3.2.1 觸發條件

機組一次調頻考核指標計算必須在機組功率大于最低穩燃負荷，而且屬于有效頻率擾動才觸發。頻率擾動時保證機組安全運行是一次調頻真正發揮作用的前提，否則可能造成機組停運，甚至造成事故擴大，因此需要考慮機組與電網間的相互配合和制約關系。在機組啟動階段存在鍋爐燃燒不穩、汽輪機缸體膨脹不暢、系統投運不正常等不穩定因素，一次調頻的大幅動作可能造成鍋爐滅火、逆功率保護動作等事故，因此，一次調頻宜在最低穩燃負荷以上投入，保證正常運行范圍內動作正確。機組一次調頻考核指標計算時，首先應保證機組功率大于最低穩燃負荷，其次機組必須為有效頻率擾動，而且電網頻率與機組頻率需要同時達到有效頻率擾動條件。

3.2.2 正確動作率

一次調頻是否正確動作以機組有效頻率擾動時間內的積分電量為依據，即發生大擾動、小擾動時均進行計算。積分電量計算公式如下：

(5)

式中：Pt為有效頻率擾動時間內任一時刻的機組功率；P0為頻率超出死區時刻機組功率，計算時取之前數s內機組功率的平均值。

機組頻率下降時積分電量為正，或頻率上升時積分電量為負，判定為一次調頻動作正確，否則判定為錯誤。每月統計正確動作次數和錯誤動作次數，二者之和為月總動作次數，則每月的正確動作率為正確動作次數占總動作次數的百分比。

3.2.3 速度變動率

頻率波動的時變性造成一次調頻動作負荷的延遲隨動變化，因此速度變動率計算需要動態取值，計算公式如下：

(6)

式中：Δf=fN+fdead-ft；ΔP=Pt-P0；PN為機組額定功率。河北南網規定只在發生大擾動時才計算速度變動率，其中ft取穩定時頻率，如圖1中e點頻率，Pt計算取值時考慮到擾動初期經常出現功率振蕩，故取2 s后的功率極值，如圖1中g點功率。

3.3 AGC影響的修正

機組功率給定值一般由兩部分生成： AGC指令或操作員設定指令經高低限制、速率限定給出；頻差經死區及速度變動率函數轉換后給出。如果AGC指令升降功率過程中一次調頻動作，則功率變化必然會受到二者的共同影響，方向一致則表現出一次調頻貢獻負荷大，反之則貢獻小，此時一次調頻響應行為實質不受影響，但是會影響到一次調頻性能的計算，因此進行一次調頻性能考核時需要對AGC的影響進行修正。

河北南網AGC修正算法為，取動作前數秒機組功率數據擬合趨勢曲線，并以曲線斜率作為計算變負荷率，如果其值超過門檻值(機組AGC設定變負荷率的一半)則判斷有AGC影響，并按照計算變負荷率，對一次調頻動作負荷曲線進行修正后再進行指標計算。

4 結束語

機組一次調頻是提高電能質量、保證電網穩定運行的有效手段，而將其作為基本輔助服務納入考核管理也將直接涉及到并網發電廠的經營效益，因此一次調頻考核算法引起了廠網雙方高度重視。根據上述算法在WAMS系統中開發了一次調頻性能分析平臺，并根據試運行期間暴露出的問題不斷進行優化完善，使得平臺基本能真實反映機組一次調頻性能，目前已投入正式運行。但由于客觀條件限制仍存在廠網時鐘不同步、數據存在偏差、AGC影響修正不夠精確等問題，因此廠網雙方應深化研究技術難題、繼續完善分析平臺、認真落實考核要求，力爭一次調頻性能得到充分發揮、并網機組電量做到零考核，大力促進廠網協調發展。

參考文獻：

[1] 鄭 濤,高伏英.基于PMU的機組一次調頻特性參數在線監測[J].電力系統自動化,2009,33(11):57-61.

[2] 楊建華．華中電網一次調頻考核系統的研究與開發[J]．電力系統自動化,2008，32(9):96-99.